DE4438167C1 - Anordnung zur Gaszuführung für Brennstoffzellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Gaszuführung für Brennstoffzellen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Solche Gaszu­ führungen sind bereits bekannt geworden, wobei Brenngas und Luft in einer Brennstoffzelle parallel zueinander strömen. Aus Gründen der Si­ cherheit sind jedoch die Zu- und Abführungskanäle der Gase auf vier Seiten des würfelförmigen Brennstoffzellenstapels verteilt. In dem Stapel werden die Gasströme um 90° umgelenkt, um sie jeweils parallel strömen zu lassen.

Diese Anordnung hat den Nachteil, daß alle vier Seiten mit Gaszuführun­ gen versehen sind und die Stapeldichte dadurch eingeschränkt ist. Außerdem geht ein Teil der Brennstoffzellenfläche dadurch verloren, daß zur Umlenkung der Gase im Innern besondere Kanäle vorzusehen sind.

Die Erfindung geht aus von einer Anordnung zur Gaszuführung für Brennstoffzellen, wie sie in der DE 42 34 093 A1 beschrieben ist. In die­ ser Offenlegungsschrift wird beispielsweise ein Brennstoffzellenblock von zwei einander gegenüberliegenden Seiten mit Gas versorgt. Dazu sind in den aufeinander gestapelten Platten an den Rändern parallele Kanäle vorgesehen. Diese versorgen durch kurze Verbindungskanäle die zwi­ schen den einzelnen Platten der Brennstoffzelle liegenden Gasräume. Durch zwei übereinander liegende Gasräume strömen die beiden Brenn­ gase, beispielsweise ein wasserstoffhaltiges und ein sauerstoffhaltiges Gas, welche auf der jeweils gegenüberliegenden Seite durch ebensolche Kanäle wieder abgeleitet werden. Die Gestaltung der Gasräume ist relativ aufwendig, vor allem durch die Abstandshalter. Ein Vorteil dieser Aus­ führungsform können die in die Platten integrierten Gaszuleitungen sein, die eine Vielzahl von Spalten in der jeweiligen Plattenebene aufweisen, welche senkrecht zur Hauptströmungsrichtung verlaufen. Durch diese Spalten können Gase entweichen, wenn aufgrund von Temperaturdiffe­ renzen ungleiche Ausdehnung dem verschiedenen Teile der Platte erfolgt.

Aus der DE 41 13 049 A1 ist eine Vorrichtung zur Führung von gasför­ migen Medien in einem Stapel von plattenförmigen keramischen Hochtem­ peratur-Brennstoffzellen bekannt. Bei dieser Vorrichtung werden die beiden Brenngase auf jeweils gegenüberliegenden Seiten des Stapels zu- und abgeführt. Die strömenden gasförmigen Medien beschreiben im Grundriß des Stapels S-förmige Trajektorien. Sauerstoffträger und Brennstoff können im Gleichstrom oder Gegenstrom oder Kreuzstrom in der Mitte der Brennstoffzelle geführt werden. Dazu werden die Brenn­ stoffzellenelemente in entsprechender Weise nebeneinander in einer Ebene angeordnet. Die Zu- und Ableitung der beiden Brenngase ge­ schieht über Kanäle, welche sich in Ebenen befinden, welche zwischen den auf den beiden äußeren Seiten befindlichen Gaszuführungsebenen liegen, welche aber letztendlich nur das überströmen der Gase von einer Brennstoffzelle auf die andere ermöglichen. Zur Zu- und Ableitung der Brenngase benötigt man jedenfalls Durchbrüche durch die Deckelplatte der Brennstoffzelle, wobei auch die vielen Einzelelemente sehr viele Dichtflächen und Diffusionsspalten, welche besonders bei Temperaturdifferenzen zu Dichtproblemen führen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Gaszuführung für Brenn­ stoffzellen so zu gestalten, daß die Brennstoffzellen zu größeren Ein­ heiten stapelbar sind und einen möglichst geringen Raum einnehmen, wobei die Bedingung erfüllt sein muß, daß die Gaszuführung unter Ver­ meidung von Leckströmen erfolgen soll.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Der Hauptgedanke der Erfindung besteht darin, daß es möglich sein muß, die vier Gase, Brenngas, sauerstoffhaltiges Gas, erstes und zweites Abgas (Abluft) nur auf der Vorder- bzw. Rückseite der Brennstoffzellen zu- und abzuleiten. Bei geeigneter Zuordnung der Gasein- und -auslässe auf jeder Seite ist nur ein mit den Brennstoffzellen verbundenes Zu­ fluß- bzw. Abflußrohr nötig. Die anderen beiden Gase strömen in Räume aus, welche für den Gasaustausch an der Oberfläche der Brennstoffzellen zugänglich sind und durch einen äußeren Mantel begrenzt werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigt

Fig. 1 die Vorderseite eines aus Brennstoffzellen zusammengesetzten Elements;

Fig. 2 die Kanäle für die Gaszuführung auf der Vorderseite;

Fig. 3 die Gaszuführung für zwei Stapel von Elementen in Schrägansicht;

Fig. 4 zwei gegenüberstehende Stapel von Elementen, welche zu einer Batterie zusammengefaßt sind, in Draufsicht;

Fig. 5 eine zu Fig. 4 analoge Anordnung mit drei Stapeln von Elementen in einer Reihe;

Fig. 6 die Seitenansicht eines Elements gern. Fig. 3 und

Fig. 7 den Anschluß verschiedener Stapel durch Verteilerrohre.

Fig. 1 zeigt den Aufbau einer Brennstoffzelle aus jeweils der Ober- und Unterseite zweier bipolarer Platten 1 und 1′. Sie bilden mit dem dazwischenliegenden Feststoffelektrolyten 12 mit zwei Elektroden eine Brennstoffzelle. Legt man mehrere dieser Brennstoffzellen übereinander, so erhält man ein Element, welches hier etwa die Form eines Würfels hat.

An der Vorderseite wird vorzugsweise ein wasserstoffhaltiges Brenngas über ein Gasverteilungssystem zugeführt. Die dafür vorgesehenen Öff­ nungen 3, 13, 23 usw. liegen alle übereinander und sind mittels eines vertikalen Kanals 7 miteinander verbunden. Die verschiedenen Kanäle 7 werden mittels eines Querkanals 9 mit Brenngas versorgt. Zwei verschie­ dene Elemente, welche übereinander gestapelt sind, erhalten ihr Brenn­ gas vorzugsweise über ein gemeinsames Verbindungsrohr 17. Mehrere Stapel, welche eine Reihe bilden, werden durch Verteilerrohre 18 miteinander verbunden (s. Fig. 2 und 3).

Die Elemente 2 haben an der Ober- und Unterseite Elektroden 3, welche für den direkten Anschluß an das nächste Element 2′ vorgesehen sind. Auf diese Weise kann man die verschiedenen Elemente 2, 2′ miteinander elektrisch verbinden. Mechanisch werden sie lediglich durch Druck zusammengehalten, beispielsweise durch Ausnehmungen auf der Unterseite eines Elements, in welche Vorsprünge des oberen Elementes eingreifen, wodurch gegenseitiges Verschieben der Elemente verhindert wird. Dem Rohrleitungssystem zur Zufuhr des Brenngases auf der Vorderseite A (s. Fig. 3 und 4) entspricht eine spiegelbildliche Anordnung der Ableitung der Abgase auf der Rückseite B. Die nicht durch vertikale Kanäle abgedeckten Öffnungen 4, 14, 24 sind - je nachdem ob dieses Gas im Gegenstrom oder Mitstrom eingeleitet wird - mit Luft beaufschlagt, oder aus ihnen tritt die Abluft auf der Vorderseite A aus. Auf der Rückseite B ist dann beispielsweise bei Gegenstrom die Luft als Frischluft zugeführt.

Die Anordnung von untereinanderliegenden Öffnungen der gleichen Art ermöglicht eine einfache Zu- bzw. Ableitung der Gase. Dabei bleibt ge­ nügend Raum für die Abdichtung der Oberfläche des Elements gegen­ über den vertikalen Kanälen 7, welche mit der Oberfläche dem Brennstoffzellen in einer bevorzugten Ausführungsform durch Sintern verbunden sind. Auch der Querkanal 9 ist durch einen Sintervorgang mit den vertikalen Kanälen 7 verbunden. Die Kanäle 7 und 9 bestehen aus einem keramischen Material, welches an den Verbindungsstellen von Vertikalen- und Querkanälen jeweils Öffnungen enthält. Die vertikalen Kanäle sind an der Oberseite mit Deckein abgeschlossen. So entsteht für jedes Element ein Gaszu- bzw. Ableitungssystem, welches die Leckage von Brenngas mit hoher Sicherheit ausschließt.

Fig. 2 zeigt im Detail, wie die Querkanäle mit einem Verbindungsrohr 17 untereinander verbunden sind. Die Verbindungsrohre liegen in einem geringen Abstand von der Vorderfläche A des Elements zwischen zwei vertikalen Kanälen und haben einen gegenüber diesen entsprechend vergrößerten Querschnitt.

Beim Stapeln verschiedener Elemente 2, 2′ entsteht ein Stapel 22 (Fig. 3), welcher nur an der Vorder- und Rückseite Gas zugeführt bekommt.

Die Seitenflächen sind frei und können für das Anreihen weiterer Stapel genutzt werden. Die Stapel in einer Reihe werden vorzugsweise von einem Hauptverteiler 19 über Verteilerrohre 18 mit Gas versorgt (s. Fig. 6).

Nach Fig 4, welche die Draufsicht auf zwei parallele Reihen aus zwei Stapeln zeigt, besitzt jeder Stapel in einer weiteren vorteilhaften Aus­ führungsform der Erfindung eigene Hauptverteiler 19, deren Gaszufuhr unabhängig von den anderen Stapeln gesteuert werden kann.

Die Luft tritt gemäß der Erfindung in einen Raum 20 ein, von dem aus sie die Vorderseite der Stapel und die darin befindlichen Öffnungen er­ reichen kann. Die Abluft tritt durch die Zwickelräume 21 aus, welche sich auf den jeweils abgewandten Seiten der Stapel befinden. Die Stapel selbst bilden eine Dichtung 6 mit dem Mantelrohr 11, welches mit Boden und Deckel versehen ist, durch welchen u. a. auch isolierte Leitungen zu den Elektroden 8 führen. Damit entsteht eine eigenständige Zelle. Solche Zellen können zu größeren Leistungseinheiten zusammengestellt werden.

Fig. 5 zeigt eine alternative Zelle mit drei Stapeln in einer Reihe.

Fig. 6 zeigt ein Element in Seitenansicht, um die Gaszuführung zu ver­ deutlichen. Aus dem Hauptverteller 19 strömt beispielsweise Brenngas in ein Keramikrohr 18 und von dort in einen Querkanal 9, welcher mit den senkrechten Kanälen 7 kommuniziert. Die senkrechten Kanäle sind an das Element 2 angesintert, ebenso der Querkanal an die Oberfläche der senkrechten Kanäle 7. Das Zuleitungsrohr 19 ist mit dem Keramikrohr mittels eines Metallrohres verbunden, welches eine Dichtung zwischen Metall- und Keramikrohr dadurch herstellt, daß bei der Wärmeausdeh­ nung des Metallrohres sich dieses in die Lochlaibung hineinpreßt. Auf diese Weise wird auch die Verbindung zwischen dem Verteilerrohr 18 und dem Querkanal 9 hergestellt.

Fig. 7 zeigt eine alternative Ausführungsform der Zuführung des Brenn­ gases bzw. der Ableitung der Abgase auf der anderen Seite mittels Verteilerrohrer 28, weiche direkt die Verbindung zwischen Hauptverteiler 29 und Querkanal 9 herstellen. Für die Abgasseite sind das die entspre­ chenden Rohre: Hauptverteiler 29′ und Verteilerrohr 28′.

Die bipolaren Platten 1, 1′ der Brennstoffzellen sind vorzugsweise mit parallelen Schlitzen versehen, welche zwischen den in Fig. 1 dargestell­ ten Öffnungen gradlinig in horizontaler Richtung zwischen der Vorder­ fläche A und der Rückseite B verlaufen. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine gleichmäßige Verteilung der Gase über der Fläche an der Brennstoffzelle dadurch erzielt, daß jede der bipolaren Platten im Innern statt der parallelen Schlitze lediglich Ab­ standsstücke enthält, welche den Stromfluß sicherstellen und den me­ chanischen Druck auffangen. Das Brenngas beispielsweise strömt von der Eintrittsseite zur Abgasseite in einer nicht vorgezeichneten Bahn und nutzt so die gesamte Fläche aus, so daß die Diffusionswege zum Elektrolyten kürzer sind. Das hat zur Folge, daß die Temperaturvertei­ lung über der Fläche gleichmäßiger wird.

Claims (11)

1. Anordnung zur Gaszuführung für Brennstoffzellen welche bipolare Platten aufweisen, die auf der Ober- und Unterseite Räume ent­ halten, in welche Reaktionsgase in der Form eines sauerstoff­ haltigen Gases und eines Brenngases im Gleich- oder Gegenstrom einströmen und als Abgase ausströmen, wobei die Reaktionsgase und die nach der Reaktion entstehenden Abgase auf nur zwei ge­ genüberliegenden Seiten (A, B) der zu einem Element (2) über­ einander gesetzten Brennstoffzellen zu- oder abgeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß auf den gegenüberliegenden Seiten (A, B) eines Elements zwei Sorten von Öffnungen (3, 4) für die beiden dort zu- oder ab­ strömenden Gase vorgesehen sind, daß in den bipolaren Platten (1, 1′) die den verschiedenen Gasarten zugeordneten Öffnungen (3, 4) gegeneinander versetzt angeordnet sind, daß die Öffnungen (3, 13, 23; 4, 14, 24) für eine auf einer Seite (A, B) ein- und auf der anderen Seite (B, A) ausströmende Gassorte auf jeder Seite (A, B) übereinander liegen und für nur eine Gassorte jeder Seite (A, B) durch senkrechte Kanäle (7) miteinander verbunden sind und daß ein Querkanal (9) vorgesehen ist, welcher die senkrechten Kanäle (7) einer Seite miteinander verbindet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jeweils eine Gasart einer Seite des Elements (2) die übereinanderliegenden Öffnungen (3, 13, 23) mittels einer langge­ streckten Haube (7) welche den senkrechten Kanal bildet, mitein­ ander verbunden sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Haube (7) einen etwa rechteckförmigen Querschnitt auf­ weist und am oberen und unteren Ende mit einem Deckel (S) abgeschlossen ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils andere Gasart durch einen Raum (20) zugeführt wird, welcher innerhalb eines Mantels (11) liegt, welcher das Zu­ leitungssystem für die jeweils erste, in Rohren (9, 17, 18, 19) ge­ führte Gasart jeder Seite umgibt.

5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr des Brenngases und die Ableitung der Abluft auf einer Seite (A) eines Elements (2) und die Zufuhr der Luft und die Ableitung des Restgases auf der anderen Seite (B) erfolgt.

6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr der Luft und des Brenngases auf der einen Seite (A) des Stapels erfolgt und das Restgas und die Abluft auf der gegenüberliegenden Seite (B) abströmen.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Elemente (2, 2′) zu einem Stapel übereinandergesetzt und elektrisch in Reihe geschaltet sind.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung benachbarter Elemente (2, 2′) eines Stapels durch ein Verbindungsrohr (17) zwischen den Querkanälen (9) dieser Elemente erfolgt.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die übereinander gestapelten Elemente (2, 2′) formschlüssig miteinander verbunden sind, so daß sie gegen Verschiebung fixiert sind.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Stapel (2, 2′) mit den Seitenflächen zu einer Reihe aneinandergesetzt sind und ihre Verbindungsrohre (17) über Ver­ teilerrohre (18) mit dem Hauptverteiler (19) für das erste Re­ aktionsgas verbunden sind, und daß das zweite Reaktionsgas auf die gleiche Weise zugeführt ist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Mantel (11) zwei parallele Reihen (22, 22′) von Brennstoffzellenstapeln zu einer Batterie vereinigt sind.